DOMAINE TECHNIQUE
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La présente invention concerne les batteries Carnot et plus particulièrement celles fonctionnant avec un cycle subcritique.
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Elle appartient aux domaines techniques correspondants d'une part aux technologies de stockage d'électricité et d'autre part aux systèmes augmentant la flexibilité de centrales thermiques de production électrique.
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Les applications potentielles sont le stockage d'électricité lié à une centrale thermique de production électrique. Une autre application liée aux précédentes est l'adjonction d'une batterie de Carnot à une centrale thermique de production d'électricité.
ETAT DE LA TECHNIQUE
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Les batteries de Carnot (BC) reposent sur un stockage d'électricité sous forme de chaleur. Lorsqu'une BC stocke de l'électricité, elle la convertit en chaleur via un procédé de charge puis stocke la chaleur dans un module de stockage thermique. Ce procédé de charge peut typiquement être une résistance chauffante ou une pompe à chaleur (PAC), tous deux des convertisseurs d'électricité en chaleur. Lorsqu'il est demandé à la batterie de restituer l'électricité qu'elle a préalablement stockée, une décharge de l'énergie conservée dans le module de stockage thermique va s'opérer à l'aide d'un cycle moteur. Ce cycle moteur est un convertisseur symétrique au procédé de charge qui va, cette fois-ci, convertir la chaleur en électricité. Le cycle moteur peut typiquement être un cycle organique ou non de Rankine (RC ou ORC) ou bien encore un cycle de Brayton. Ce type de BC est qualifié de batterie isolée ou « standalone » dans la littérature.
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Les batteries de Carnot présentent plusieurs avantages : il s'agit premièrement d'une solution de stockage massif d'électricité. Comme toutes les technologies de stockage d'électricité, les BC peuvent également rendre des services au réseau, notamment en termes de stabilité et de flexibilité. D'autre part, elles ne présentent que peu de contraintes géographiques, car leur lieu d'implantation ne nécessite ni de vallée ni de cavité et ne génèrent pas de dangers particuliers dans son proche périmètre.
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Cependant, les BC pâtissent de différentes limites à leur développement : cette technologie a des rendements de conversion relativement modestes de l'ordre de 30% à 60% d'après la littérature pour les BC isolées. En lien avec ce rendement modeste, la rentabilité économique de projets reposant sur les BC n'est pas toujours assurée. Enfin, les BC isolées pâtissent d'une réactivité limitée, inhérente au temps de montée en température du cycle moteur et des canalisations attenantes lors de l'amorçage de la phase de décharge.
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Les BC peuvent être intégrées à travers différentes architectures à des centrales thermiques de production électrique. Deux concepts identifiés à ce jour se distinguent : l'un est qualifié de batteries couplées (BCC) et l'autre dénommé batteries greffées (BCG).
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Le concept des batteries de Carnot couplées repose sur une architecture comprenant une centrale thermique de production électrique couplée à une BC par le procédé de charge ainsi que par la partie stockage thermique. Ainsi, une partie du flux thermique de la centrale va, non plus être directement converti en électricité par le cycle moteur, mais temporairement stocké, et ce, sans subir d'élévation de température. Le cycle de charge est utilisé soit pour compenser une partie des pertes du stockage, soit pour augmenter la quantité d'énergie thermique stockée, mais toujours à une température uniforme entre le stockage et la température de la source de chaleur de la centrale.
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Le principal intérêt d'avoir réalisé ce couplage est le gain de flexibilité octroyé à la centrale. En effet, la centrale est en opération de manière continue et comme beaucoup de centrales thermiques, elle n'est que peu pilotable. Ce manque de flexibilité au regard de la forte variabilité de la demande en électricité peut occasionner des problèmes de stabilité à l'échelle du réseau. Ainsi, une BC couplée permet lors des phases de tension du réseau d'effacer une partie de la production électrique, en venant dévier une partie du flux thermique pour venir le stocker dans la BCC. Ensuite, lorsque le réseau nécessite de nouveau une augmentation de la production électrique, la BCC peut être déchargée via son cycle moteur, mutualisé avec la centrale thermique. Ainsi, lors de la phase de décharge, la centrale va fonctionner à son régime nominal, mais une décharge de chaleur additionnelle provenant de la BCC va s'opérer en parallèle dans le cycle moteur. Cette décharge de chaleur additionnelle issue de la BCC va occasionner un surplus de production électrique par rapport au régime nominal de la centrale. Ainsi, une BC couplée à une centrale lui octroie un gain en flexibilité se matérialisant par une meilleure adéquation de la production électrique à la demande, via le jeu d'effacement puis de surplus de production électrique. Dans le cas des BCC, la modulation de puissance s'effectue donc sur une régulation du débit du flux thermique qui est envoyé au cycle moteur.
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Une autre caractéristique importante des BCC est le fait que leur fonctionnement est corrélé à celui de la centrale thermique de production électrique. En effet, pour que la mutualisation du cycle moteur entre la BCC et la centrale soit réaliste, il est nécessaire que la puissance additionnelle de décharge octroyée par la BCC soit faible au regard de la production nominale de la centrale. Ainsi, la BCC ne peut donc pas fonctionner seule. Pour que la BCC puisse se charger et se décharger, la centrale thermique doit être en fonctionnement.
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Les autres intérêts à la réalisation de ce couplage résident principalement dans la mutualisation du cycle moteur. En effet, cette mutualisation permet premièrement de réduire grandement les coûts d'une BCC par rapport à une BC isolée. D'autre part, cette mutualisation permet également d'augmenter de manière significative la réactivité de la BC. En effet, à l'inverse des BC isolées, comme ici la centrale de production est en fonctionnement continu, le cycle moteur est toujours en fonctionnement. Ainsi, le cycle moteur étant toujours en température et toujours en fonctionnement, les effets liés à l'inertie du démarrage du cycle moteur ne pénalisent plus la BCC et donc permettent un gain de réactivité important. On peut noter également que les BCC permettent, grâce à leur meilleure réactivité, de faire du suivi de charge et de fréquence, en plus des autres services classiques que les technologies de stockage sont capables de rendre au réseau.
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Le fonctionnement et l'architecture des BCG sont à rapprocher de ceux des BCC. Leur caractéristique différenciante réside dans le mode de valorisation du flux thermique issu de la centrale. Dans le cas des BCC, le flux thermique de la centrale est directement intégré au module de stockage, alors que pour les BCG, il est valorisé dans le procédé de charge.
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Ainsi, le flux dévié de la centrale est valorisé lors de la charge de la BCG et est porté à plus haute température que celle de la centrale avant d'être stocké. Lors de la décharge, le flux à plus haute enthalpie est valorisé au cycle moteur et vient donc augmenter l'enthalpie du flux thermique nominal de la centrale. Lors de la phase de décharge, comme le cycle moteur est alimenté par un flux de plus haute enthalpie, la production nette du cycle s'en voit augmentée. Ainsi, lorsque le réseau est en tension et qu'il est nécessaire de stocker de l'électricité, une phase de charge de la BCG va être réalisée, consommatrice d'électricité. Cette phase de charge va permettre de stocker de la chaleur à plus haute température qui va être déchargée ensuite, lorsque le réseau a de nouveau besoin d'électricité, en augmentant la production nette du cycle moteur de la centrale thermique. Réciproquement si la BCG possède un stockage froid, la température atteinte par le cycle de charge sera inférieure à celui de la source froide du cycle moteur.
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Ici encore, la centrale thermique est en fonctionnement continu. Ainsi, la différence majeure entre les BCC et les BCG est que la modulation de production de la centrale thermique ne s'effectue pas sur une modulation du débit traversant le cycle moteur comme dans le cas des BCC, mais sur une modulation de la température du flux traversant le cycle moteur pour les BCG. Cette stratégie de régulation basée sur la température et non sur le débit permet de faire porter une contrainte différente sur la turbine ce qui peut être intéressant. Une autre caractéristique importante des BCG est le fait qu'elles ne puissent pas fonctionner de manière indépendante de la centrale, comme pour les BCC.
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Les intérêts à la mise en œuvre d'une BCG sont assez similaires à ceux d'une BCC. En effet, une BCG possède pour les mêmes raisons qu'une BCC une bien meilleure réactivité que les batteries isolées, ce qui permet donc de faire du suivi de charge ou de fréquence par exemple. Une diminution des coûts est également possible grâce à la mutualisation du cycle moteur. Enfin, les BCG sont capables d'atteindre des rendements de stockage meilleurs que pour les BC classiques et ce, sans avoir recours à des sources de chaleur additionnelles et externes.
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On connait par ailleurs le document brevet
FR3060190B1 qui décrit une architecture de BC permettant d'augmenter la flexibilité d'un cycle de Brayton. La BCG comprend un stockage en eau froide alimenté par une machine frigorifique. La décharge de cette BCG est assurée par deux échangeurs raccordés directement sur le circuit en fluide de travail du cycle de Brayton.
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Ces différentes solutions sont bien adaptées à des fonctionnements selon des cycles supercritiques et transcritiques. Toutefois, cela implique des couts de développements et d'infrastructures importants pour assurer que les composants puissent être mis en œuvre dans ces cycles exigeants et nécessitent des températures et des pressions élevées.
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Or, actuellement avec la volonté grandissante d'optimiser la valorisation des chaleurs fatales issues de nombreux processus industriels présentant des températures inférieures ou égales à 300°C, il existe donc le besoin de proposer une solution pour permettre le fonctionnement des batteries de Carnot et notamment les Batteries de Carnot Greffées (BCG) ou Couplées (BCC) avec des cycles subcritiques à basses températures c'est-à-dire inférieures ou égales à 300° C.
RESUME
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Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit une batterie de Carnot comprenant
- un cycle moteur destiné à transformer de l'énergie thermique en électricité comprenant un évaporateur assurant un échange thermique avec une source chaude, une turbine et un condenseur assurant un échange thermique avec une source froide, un module de conversion d'énergie électrique en énergie thermique chaude, et un module de stockage d'énergie thermique comprenant un fluide de stockage destiné à stocker l'énergie thermique chaude, avantageusement produite par le module de conversion d'énergie électrique en énergie thermique chaude,
- caractérisé en ce qu'elle comprend un circuit intermédiaire assurant le transfert thermique de l'énergie thermique chaude du fluide de stockage stocké dans le module de stockage d'énergie thermique vers le cycle moteur, le circuit intermédiaire comprend un échangeur thermique de décharge assurant le transfert thermique de l'énergie thermique chaude du fluide de stockage vers la source chaude alimentant l'évaporateur du cycle moteur.
Avantageusement, l'échangeur thermique de décharge est agencé en amont de l'évaporateur du cycle moteur sur une connexion fluidique alimentant l'évaporateur du cycle moteur en source chaude, l'échangeur thermique de décharge comprend une entrée de source chaude et une sortie de source chaude réchauffée connectée fluidiquement à une entrée de source chaude de l'évaporateur par la connexion fluidique, le circuit intermédiaire comprend une connexion fluidique assurant la connexion fluidique entre la sortie de fluide de stockage du module de stockage et l'entrée de fluide de stockage de l'échangeur thermique de décharge et une connexion fluidique assurant la connexion fluidique entre la sortie de fluide de stockage de l'échangeur thermique de décharge et l'entrée de fluide de stockage du module de stockage d'énergie thermique.
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La batterie de Carnot selon l'invention permet de décharger la chaleur stockée de manière optimale dans le cas de cycles subcritiques. En effet, la présence du circuit intermédiaire avec l'échangeur de décharge assurant une décharge indirecte du stockage de chaud vers le cycle moteur permet d'élargir le fonctionnement des batteries de Carnot, notamment les batteries de Carnot greffées à cycles subcritiques. La batterie de Carnot selon l'invention présente ainsi une facilité de mise en œuvre grâce à la maturité technologique des composants pour des basses températures qui sont propices aux cycles subcritiques. En outre, les coûts d'infrastructures des batteries de Carnot greffées subcritiques sont donc plus faibles avec un potentiel de démocratisation important.
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En introduisant le circuit intermédiaire permettant la décharge, il est possible non plus seulement de jouer sur le degré de surchauffe, mais de jouer sur la pression haute du cycle moteur, ce qui conduit à des rapports de restitution bien plus élevés et présageant d'une réalité économique pour le système.
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En effet, les architectures adaptées aux cycles transcritiques et supercritiques connues aujourd'hui dans la littérature ne permettent pas une augmentation de la pression haute du cycle moteur. Cependant en subcritique la décharge directe de la BCG via un échangeur en série avec l'évaporateur du cycle moteur conduit uniquement à une augmentation de la surchauffe.
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Or, une augmentation de la surchauffe n'engendre qu'une très faible augmentation des performances de la turbine et conduit donc à une très faible augmentation de la production électrique pour des cycles subcritiques. Cette faible augmentation de la production, au regard de l'énergie qui a été effacée lors de la charge et de celle qui a été consommée par le module de conversion, conduit à un rapport de restitution pour la batterie de Carnot faible, démontrant le peu d'intérêt économique pour un tel système.
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L'intérêt de la présente invention est donc de palier au problème d'ajout uniquement de surchauffe au fluide par la BCG.
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De plus, abaisser la température de fonctionnement de la batterie de Carnot permet également de diminuer les pertes lors de la phase de stockage, améliorant ainsi la rentabilité des batteries de Carnot subcritiques.
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L'invention permet ainsi d'améliorer la pilotabilité et la flexibilité des centrales thermiques. Le stockage lié à la centrale permet un gain de stabilité pour le réseau, mais également du côté exploitant, de réaliser du suivi de charge et du suivi de fréquence, ainsi que de l'arbitrage énergétique.
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Suivre un autre aspect, l'invention concerne un procédé de production d'énergie électrique par une batterie de Carnot telle que décrite ci-dessus comprenant une étape de charge comprenant
- un échange thermique dans l'évaporateur du cycle moteur entre la source de chaleur et un fluide moteur circulant dans le cycle moteur pour assurer l'évaporation du fluide moteur,
une détente du fluide moteur issu de l'évaporateur dans la turbine du cycle moteur permettant la production d'électricité par une génératrice associée, - un échange thermique dans le condenseur du cycle moteur entre la source froide et le fluide moteur pour assurer la condensation du fluide moteur,
- une production d'énergie thermique chaude par le module de conversion et le stockage de l'énergie thermique chaude dans le module de stockage.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
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Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
- La figure 1 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot selon l'invention.
- La figure 2 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot lors d'une phase stationnaire.
- La figure 3 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot lors d'une phase de charge.
- La figure 4 représente un schéma de principe de la batterie de Carnot lors d'une phase de décharge.
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Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
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Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
Selon un exemple, le module de conversion d'énergie électrique en énergie thermique chaude est une pompe à chaleur 1100 comprenant un évaporateur 1104 alimenté par la source chaude 6, et agencé en série et en amont de l'échangeur thermique de décharge 1002.
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Selon un exemple, le module de conversion est une résistance chauffante.
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Selon un exemple, la batterie de Carnot comprend un récupérateur 203 agencé sur le cycle moteur 200 assurer un échange thermique entre une connexion fluidique reliant l'aval de la turbine 201 à l'amont du condenseur 204 et une connexion fluidique reliant l'aval de la pompe 205 à l'amont de l'évaporateur 202.
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Selon un exemple, le procédé comprend une étape de décharge d'énergie thermique chaude comprenant,
- un déstockage du fluide caloporteur du module de stockage 1003, un échange thermique dans l'échangeur thermique de décharge 1002 entre le fluide caloporteur déstocké du module de stockage 1003 et la source chaude 6 pour augmenter la température de la source chaude 6,
- un échange thermique dans l'évaporateur 202 du cycle moteur 200 entre la source chaude 6 réchauffée et le fluide moteur permettant l'évaporation du fluide moteur.
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Selon un exemple, l'étape de décharge d'énergie thermique chaude comprend une détente du fluide moteur issu de l'évaporateur 202 dans la turbine 201 du cycle moteur 200 permettant la production d'électricité par une génératrice 206 associée.
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Selon un exemple, le module de conversion est une pompe à chaleur 1100 dans laquelle la source chaude 6 circule dans l'évaporateur 1104 de la pompe à chaleur 1500 en amont et en série de l'évaporateur 202 du cycle moteur 200.
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Selon un exemple, le procédé comprend une étape de fonctionnement stationnaire comprenant
un échange thermique dans l'évaporateur 202 du cycle moteur 200 entre la source de chaleur 6 et un fluide moteur circulant dans le cycle moteur (200) pour assurer l'évaporation du fluide moteur,
une détente du fluide moteur issu de l'évaporateur 202 dans la turbine 201 du cycle moteur 200 permettant la production d'électricité par une génératrice 206 associée, un échange thermique dans le condenseur 204 du cycle moteur 200 entre la source froide 5 et le fluide moteur pour assurer la condensation du fluide moteur.
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L'amont et l'aval, l'entrée, la sortie, en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide.
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On entend par un paramètre "sensiblement égal/supérieur/inférieur à" ou "de l'ordre de" une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.
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Aux fins de la présente divulgation, l'expression « A et/ou B » signifie (A), (B) ou (A et B). Aux fins de la présente divulgation, l'expression "A, B et/ou C" signifie (A), (B), (C), (A et B), (A et C), (B et C), ou (A, B et C).
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On entend par supercritique que la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne à des niveaux de pression et température au-dessus du point critique du fluide de travail circulant.
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On entend par transcritique que la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne à des niveaux de pression et de température au-dessus et en dessous du point critique du fluide de travail circulant.
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On entend par subcritique que la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne à des niveaux de pression et de température au-dessous du point critique du fluide de travail circulant.
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On entend par connecté fluidiquement ou en connexion fluidique, lorsqu'une ligne assure une connexion par ou dans laquelle circule un fluide.
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Dans la présente description, l'expression « A fluidiquement raccordé à B » est synonyme de « A est en connexion fluidique avec B » et ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. Les expressions « agencée sur » ou « sur » sont synonymes de « raccordé fluidiquement à ».
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L'expression « A fluidiquement connecté à B » ou encore « A fluidiquement raccordé à B » est synonyme de « A est en connexion fluidique avec B » et ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. Ainsi ces expressions s'entendent d'une connexion fluidique entre deux éléments, cette connexion pouvant ou non être directe. Cela signifie qu'il est possible qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés, un parcours d'un fluide existe par un ou des conduits ou connexions, éventuellement un organe supplémentaire.
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A l'inverse, le terme «fluidiquement connecté directement» s'entend d'une connexion fluidique directe entre deux éléments. Cela signifie qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés directement aucun autre élément n'est présent, autre qu'un conduit/connexion/canal ou plusieurs conduits/connexions/canaux.
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On entend par chaud, froid, refroidi, une température relative par rapport à un autre point du système.
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Les termes "premier", "deuxième" et "troisième", "additionnel", etc. sont utilisés simplement comme des étiquettes, et ne sont pas destinés à imposer des exigences numériques sur leurs objets.
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L'invention concerne une batterie de Carnot greffée à une centrale thermique, se basant sur un cycle moteur fonctionnant avantageusement en mode subcritique.
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La batterie de Carnot selon l'invention comprend une centrale thermique de production d'électricité destinée à convertir de l'énergie thermique en une électricité. Dans la présente demande, le terme centrale, centrale de production, centrale thermique sont utilisés de manière indifférenciée pour définir la centrale thermique de production d'électricité.
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La centrale thermique peut-être de différents types. La centrale thermique comprend une source de chaleur 6 pouvant être de nature diverse par exemple issue de la géothermie, de la biomasse, des énergies fossiles, de l'énergie solaire, du nucléaire, de la chaleur fatale. La centrale thermique comprend un cycle moteur 200 permettant de transformer la source de chaleur 6 en énergie électrique. À titre d'exemple, la source de chaleur 6 présente une température comprise entre 80 et 800°C.
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La batterie de Carnot comprend ainsi cycle moteur 200 destiné à transformer de l'énergie thermique, une source chaude 6, en électricité. Le cycle moteur 200 comprend au moins un évaporateur 202, une turbine 201 et un condenseur 204.
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Le cycle moteur 200 est par exemple un cycle de Brayton ou un cycle de Rankine ou un cycle organique de Rankine.
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Le cycle moteur 200 comprend un circuit fluidique recevant un fluide moteur et destiné à mettre en connexion fluidique les différents composants du cycle moteur 200.
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L'évaporateur 202 est configuré pour assurer un échange thermique entre le cycle moteur 200 et la source chaude 6. L'évaporateur 202 a pour fonction d'assurer l'évaporation du fluide moteur grâce à l'apport d'énergie thermique chaude par la source chaude 6.
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La turbine 201 du cycle moteur est configurée pour assurer la détente du fluide moteur pour assurer l'entraînement de la turbine 201. Avantageusement, la turbine 201 est associée à une génératrice 206. La génératrice 206 est mise en mouvement par la turbine 201 lors de la détente du fluide moteur et assure ainsi la production d'électricité.
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À titre d'exemple, la turbine 201 est une turbomachine axiale. La présente invention reste fonctionnelle pour tout type de turbine de détente, que ce soit une turbomachine axiale, centripète ou mixte, une machine volumétrique de type scroll, à piston, à vis, etc.
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Le condenseur 204 du cycle moteur est configuré pour assurer un échange thermique entre le cycle moteur et une source froide 5. Le condenseur 204 a pour fonction d'assurer la condensation du fluide moteur grâce à un refroidissement réalisé par l'apport d'énergie thermique froide par la source froide 5.
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Avantageusement, le cycle moteur comprend une pompe 205 destinée à mettre en mouvement le fluide moteur dans le circuit fluidique du cycle moteur.
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Selon un mode de réalisation avantageux, le cycle moteur 200 comprend un premier récupérateur 203 agencé entre la sortie de la turbine 201 et la sortie de la pompe 205. Le premier récupérateur 203 est destiné à assurer un échange thermique entre le fluide moteur en sortie de turbine 201 et le fluide moteur en sortie de pompe 205. Le fluide moteur en sortie de turbine 201 cède l'énergie thermique au profit du fluide moteur en sortie de la pompe 205 permettant un préchauffage du fluide moteur avant son entrée dans l'évaporateur 202 et un refroidissement du fluide moteur avant son entrée dans le condenseur 204.
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Selon une possibilité préférée, le circuit fluidique du cycle moteur 200 assure la mise en connexion fluidique successivement de l'évaporateur 202 connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à la turbine 201, puis la turbine 201 est connectée fluidiquement au condenseur 204, préférentiellement en passant par le premier récupérateur 203, puis le condenseur 204 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à la pompe 205, puis la pompe 205 est connectée fluidiquement à l'évaporateur 202, préférentiellement en passant par le premier récupérateur de 203.
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Selon le mode de réalisation illustré, le cycle moteur 200 est un cycle organique de Rankine. À ce titre, le fluide moteur circulant dans le cycle moteur 200 est un fluide organique comme le Novec649.
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Selon l'invention, la batterie de Carnot comprend un module de conversion d'énergie électrique en énergie thermique chaude.
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Selon une possibilité, le module de conversion est par exemple une résistance chauffante. La résistance chauffante est destinée à chauffer un fluide préférentiellement un fluide de stockage destiné à être stocké dans un module de stockage 1003.
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Selon une autre possibilité, le module de conversion est une pompe à chaleur 1100 destinée à convertir de l'énergie électrique en énergie thermique chaude destinée à être stockée dans un module de stockage 1003.
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À titre d'exemple, la pompe à chaleur 1100 comprend un circuit destiné à recevoir un fluide caloporteur et assurant la mise en connexion fluidique des composants de la pompe à chaleur. La pompe à chaleur 1100 comprend un compresseur 1101, un évaporateur 1104, un organe de détente 1103 et un condenseur 1102. Le compresseur 1101 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à l'évaporateur 1104, puis l'évaporateur 1104 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à l'organe de détente 1103, puis l'organe de détente 1103 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, au condenseur 1102, puis le condenseur 1102 au compresseur 1101.
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Le condenseur 1102 est destiné à assurer un échange thermique entre une source chaude 6 et le fluide caloporteur de sorte à condenser le fluide caloporteur.
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La source chaude 6 est par exemple de l'eau dans un réseau d'eau, de l'eau d'une rivière, etc. À titre préféré, la température de la source chaude est comprise entre 80 et 300° C.
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Selon une première possibilité, l'évaporateur 1102 de la pompe à chaleur 1100 est alimenté par une source chaude différente de la source chaude 6 alimentant l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. Cette possibilité permet de décorréler la charge de la batterie de Carnot du fonctionnement du cycle moteur. Aucun effacement de la production électrique lors de la charge n'est constaté et le fonctionnement du cycle moteur est nominal lors de la charge de la batterie de Carnot.
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Selon une autre possibilité, l'évaporateur 1102 de la pompe à chaleur 1100 est alimenté par la source chaude 6 alimentant l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. Selon cette possibilité, la source chaude 6 alimente successivement, suivant le flux de la source chaude 6, l'évaporateur 1104 de la pompe à chaleur, puis l'échangeur thermique de décharge 1002 du circuit intermédiaire 1, puis l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. Avantageusement, la connexion fluidique F est une ligne d'aller de la source chaude 6 alimentant successivement l'échangeur thermique de décharge 1003 puis l'évaporateur 202 du cycle moteur. Préférentiellement, des connexions fluidiques de dérivation O et N sont connectées ne piquage sur la connexion fluidique F en amont de l'échangeur thermique de décharge 1002 pour alimenter en parallèle, l'évaporateur 1102 de la pompe à chaleur 1100.
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Ainsi, plutôt que la source chaude de la pompe à chaleur 1100 utilise la température de l'environnement, il est astucieux de la raccorder sur le flux thermique de la source chaude 6 du cycle moteur 200. La pompe à chaleur va donc prélever des calories depuis le flux thermique de la source chaude 6 du cycle moteur 200 au niveau de son évaporateur 1102, pour les transférer au module de stockage 1003 via son condenseur 1004. Cette opération, consommatrice d'électricité, implique aussi une diminution des calories disponibles à l'évaporateur 202 du cycle moteur 200 donc une réduction de la production électrique de ce dernier. Lors de la phase de charge, la batterie de Carnot selon l'invention occasionne un effacement de la production électrique, tout en en consommant à partir du réseau pour alimenter son compresseur.
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Le recours à une résistance chauffante comme module de conversion permet de simplifier le fonctionnement de la batterie de Carnot, en décorrélant la charge du fonctionnement du cycle moteur. Le cycle moteur lors de la charge se comporte suivant son fonctionnement nominal et l'effacement de la production électrique lors de la charge n'est pas constaté. L'utilisation d'une résistance chauffante en lieu et place d'une pompe à chaleur augmente la fiabilité de l'installation et réduit les opérations de maintenance.
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Selon l'invention, la batterie de Carnot comprend un module de stockage thermique 1003 comprenant un fluide de stockage destiné à stocker l'énergie thermique chaude, préférentiellement produite par le module de conversion d'énergie électrique en énergie thermique, et avantageusement produite par la pompe à chaleur. Le module de stockage thermique 1003 est par exemple un réservoir de fluide de stockage, avantageusement isolé thermiquement de l'environnement.
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À titre d'exemple préféré, le fluide de stockage est de l'eau. À titre d'exemple, le fluide de stockage stocké dans le module de stockage thermique est à une température comprise entre 100°C et 800°C.
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L'évaporateur 1104 de la pompe à chaleur 1100 est destiné à assurer un échange thermique entre le fluide caloporteur de la pompe à chaleur 1100 et le fluide de stockage du module de stockage thermique 1003 de sorte à assurer l'évaporation du fluide caloporteur et à refroidir le fluide de stockage du module de stockage thermique 3100.
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À titre d'exemple, la pompe à chaleur 1100 fonctionne suivant un cycle subcritique. Le cycle de la pompe à chaleur 1100 peut également être transcritique ou supercritique relativement au fluide caloporteur considéré et aux niveaux de température souhaités. À titre d'exemple, le fluide caloporteur est le cyclopentane.
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Selon l'invention, la batterie de Carnot comprend un circuit intermédiaire 1001 assurant le transfert thermique de l'énergie thermique chaude du fluide de stockage stocké dans le module de stockage d'énergie 1003 vers le cycle moteur 200. Le circuit intermédiaire 1001, dit circuit intermédiaire de décharge, comprend un échangeur thermique de décharge 1002 assurant le transfert thermique entre le fluide caloporteur et une source chaude 6 alimentant l'évaporateur 202 du cycle moteur 200.
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À titre préféré, le circuit intermédiaire 1001 comprend une pompe 1004 destinée à mettre en circulation le fluide de stockage entre le module de stockage 1003 et l'échangeur thermique de décharge 1002.
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Le circuit intermédiaire 1001 est destiné à recevoir un fluide caloporteur et assurer la mise en connexion fluidique des composants du circuit intermédiaire. Le circuit intermédiaire 1001 comprend l'échangeur thermique de décharge 1002, le module de stockage 1003 et éventuellement la pompe 1004. L'échangeur thermique de décharge 1002 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à la pompe 1004, puis la pompe 1004 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, au module de stockage thermique 1003, puis le module de stockage thermique 1003 est connecté fluidiquement, préférentiellement directement, à l'échangeur thermique de décharge 1002.
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Le circuit intermédiaire 1001 est une boucle fluidique comprenant des connexions fluidiques assurant la connexion fluidique en série du module de stockage d'énergie thermique 1003 et l'échangeur thermique de décharge 1002. Le circuit intermédiaire 1001 comprend une connexion fluidique P assurant la connexion fluidique de la sortie du fluide de stockage du module de stockage 1003 vers l'entrée de fluide de stockage de l'échangeur thermique de décharge 1002. Le circuit intermédiaire 1001 comprend une connexion fluidique Q assurant la connexion fluidique de la sortie du fluide de stockage de l'échangeur thermique de décharge 1002 vers l'entrée de fluide de stockage du module de stockage 1003. A titre préférée, la pompe 1004 est agencée sur la connexion fluidique Q.
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L'échangeur thermique de décharge 1002 est distinct de l'évaporateur 202 du cycle moteur.
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L'architecture de la batterie de Carnot selon l'invention permet d'optimiser la phase de décharge. En effet, après avoir préalablement été chargé via la pompe à chaleur 1100, le module de stockage 1003 est déchargé grâce au circuit intermédiaire 1001 sur le circuit de la source chaude 6.
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En effet, la présence de circuit intermédiaire 1001 permet d'assurer une décharge de la batterie de Carnot optimale en particulier pour les cycles subcritiques.
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Suivant un aspect, la batterie de Carnot comprend un module de commande comprenant une pluralité de vannes destinée à commander la circulation du fluide de travail dans les circuits fluidiques et une pluralité de capteurs destinés à mesurer des paramètres prédéfinis sur les circuits fluidiques. Le fonctionnement de la batterie de Carnot comprend la mesure de paramètres prédéfinis sur les circuits fluidiques par des capteurs, la comparaison des mesures avec des valeurs prédéfinies et la mise en place les différentes phases de fonctionnement de la batterie.
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Le circuit du cycle moteur 200, le circuit intermédiaire 1001 et le circuit du module de conversion 1100 sont distincts, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas en connexion fluidique.
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L'architecture d'une batterie de Carnot selon un exemple de l'invention telle qu'illustrée à la figure 1 est détaillée ci-après.
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Au niveau du cycle moteur 200, la source chaude 6 est connectée fluidiquement à l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. La source chaude 6 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à l'entrée de la source chaude de l'évaporateur 202 par une connexion fluidique F. Une sortie de la source chaude de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement à la sortie de la source chaude 6 par une connexion fluidique G. Avantageusement, la pompe 11 est agencée sur la connexion fluidique G.
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Au niveau de la pompe à chaleur 1100, l'évaporateur 1102 comprend une entrée de source chaude et une sortie de source chaude. L'entrée de source chaude de l'évaporateur 1102 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la source chaude 6 alimentant l'évaporateur 202 du cycle moteur 200 par une connexion fluidique N. La sortie de source chaude de l'évaporateur 1102 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à la source chaude 6 alimentant l'évaporateur 202 du cycle moteur 200 par une connexion fluidique O. La connexion fluidique N est par exemple un piquage réalisé sur la connexion fluidique F en amont d'un piquage réalisé sur la connexion fluidique M pour la connexion fluidique O.
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Au niveau du circuit intermédiaire 1001, l'échangeur thermique de décharge 1002 comprend une entrée et une sortie de source chaude 6, l'entrée de source chaude 6 de l'échangeur de décharge 2 est connectée à la connexion fluidique F permettant l'arrivée de la source chaude dans la batterie de Carnot, la sortie de source chaude de l'échangeur de décharge 1002 est connectée fluidiquement à l'entrée de source chaude de l'évaporateur 202 par la connexion fluidique F, préférentiellement directement.
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Le module de stockage 1003 comprend une sortie de fluide de stockage stocké connectée fluidiquement à l'entrée de fluide de stockage de l'échangeur thermique de décharge 1002 par la connexion fluidique P. Avantageusement, une pompe 1004 est agencée sur la connexion fluidique P. L'échangeur thermique de décharge 1002 comprend une sortie de fluide de stockage connectée fluidement à l'entrée du module de stockage 1003 par la connexion fluidique Q.
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Au niveau du cycle moteur 200, l'évaporateur 202 comprend une entrée et une sortie de fluide moteur. La sortie de fluide moteur de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement, préférentiellement directement, à l'entrée de la turbine 201 par une connexion fluidique H. L'entrée de fluide moteur de l'évaporateur 202 est connectée fluidiquement à une deuxième sortie du récupérateur 203, s'il est présent par la connexion fluidique L, sinon à la pompe 5, sinon au condenseur 204.
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La turbine 201 comprend une entrée et une sortie de fluide moteur. La sortie de fluide moteur de la turbine 201 est connectée fluidiquement à l'entrée du condenseur 204, préférentiellement la sortie de la turbine 201 est connectée fluidiquement directement à une première entrée du récupérateur 203 par la connexion fluidique I, une première sortie du récupérateur 203 étant connecté fluidiquement directement à l'entrée de fluide moteur du condenseur 204 par la connexion fluidique J.
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Le condenseur 204 comprend une entrée et une sortie de fluide moteur. La sortie de fluide moteur du condenseur 204 est connectée fluidiquement à une deuxième entrée du récupérateur 203 par la connexion fluidique K. Avantageusement, la pompe 205 est agencée sur la connexion fluidique K, avantageusement en aval du condenseur 204 et en amont du récupérateur 203, s'il est présent ou sinon en amont de l'évaporateur 202.
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Le condenseur 204 comprend une entrée de source froide 5 connectée fluidiquement à l'entrée de source froide dans la batterie de Carnot par la connexion fluidique M.
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Le condenseur 204 comprend une sortie de source froide 5 connectée fluidement à la sortie de source froide hors de la batterie Carnot par la connexion fluidique E.
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La batterie de Carnot selon l'invention fonctionne suivant 3 phases dont une phase stationnaire correspondant au fonctionnement de transformation de l'énergie thermique en énergie électrique, une phase de charge correspondant au fonctionnement pour stocker de l'énergie thermique et une phase de décharge correspondant au fonctionnement pour déstocker l'énergie thermique.
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En phase stationnaire, la batterie de Carnot selon l'invention fonctionne telle qu'illustrée à la figure 2 ci-après détaillée.
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La source chaude 6, le cycle moteur 100 et l'alimentation en source froide du condenseur 204 sont actifs en phase stationnaire. On entend par actif qu'une circulation de fluide est réalisée. En phase stationnaire, la pompe à chaleur 1100 et le circuit intermédiaire 1001 assurant l'échange thermique entre le module de stockage 1003 et le cycle moteur 200 ne sont pas actifs, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de circulation de fluide.
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La phase stationnaire va être décrite ci-après d'un point de vue fonctionnement.
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La source chaude 6 alimente l'évaporateur 202 du cycle moteur 200.
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La source chaude 6 entre dans l'évaporateur 202 à une température supérieure à sa température en sortie de l'évaporateur 202. La source chaude 6, qui n'est pas alimentée ni refroidie par le module de stockage 1003, transfère son énergie thermique au cycle moteur 200 au travers de l'évaporateur 202. Le cycle moteur 200 permet la production d'énergie électrique par sa turbine 201 associée à la génératrice de 206. Le condenseur 204 est alimenté par la source froide 5 issue de l'environnement. La machine frigorifique 100 n'est pas en fonctionnement, il n'y a pas de production de froid ni de stockage de froid dans le module de stockage 3. Il n'y a pas de déstockage de froid depuis le module de stockage. La phase stationnaire est un mode de fonctionnement correspondant à une simple conversion d'énergie.
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La phase de charge de la batterie de Carnot est destinée à la conversion d'électricité depuis une source chaude 6 via la pompe à chaleur 1100.
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En phase de charge, la batterie de Carnot selon l'invention est illustrée à la figure 3 ci-après détaillée.
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La source chaude 6, le cycle moteur 200, la pompe à chaleur 1100 et l'alimentation en source froide du condenseur 204 sont actifs en phase de charge. On entend par actif qu'une circulation de fluide est réalisée. Le circuit intermédiaire 1001 assurant l'échange thermique entre le module de stockage 1003 et le cycle moteur 200 n'est pas actif, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de circulation de fluide.
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En phase de charge, le fonctionnement de la batterie de Carnot selon l'invention est identique au fonctionnement en phase stationnaire avec en plus le fonctionnement de la pompe à chaleur 1100 qui permet le stockage de l'énergie électrique sous forme d'énergie thermique chaude. Cette phase de charge est mise en œuvre lorsqu'il y a un surplus d'énergie électrique par rapport à la demande sur le réseau. La batterie de Carnot selon l'invention permet ainsi de stocker l'énergie électrique en surplus sous forme d'énergie thermique chaude.
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La phase de décharge de la batterie de Carnot est destinée à la transmission de l'énergie thermique préalablement stockée dans le module de stockage thermique 1003 vers le cycle moteur 200.
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En phase de décharge, la batterie de Carnot selon l'invention est illustrée à la figure 4 ci-après détaillée.
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La source chaude 6, le cycle moteur 200, le circuit intermédiaire 1001 et l'alimentation en source froide du condenseur 204 sont actifs en phase de décharge. On entend par actif qu'une circulation de fluide est réalisée. La pompe à chaleur 1100 n'est pas active, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de circulation de fluide.
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En phase de décharge, le fonctionnement de la batterie de Carnot selon l'invention est identique au fonctionnement en phase stationnaire avec en plus le fonctionnement du circuit intermédiaire 1001 qui permet le déstockage de l'énergie thermique chaude stockée dans le module de stockage 1003 vers le cycle moteur 200.
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Le fluide de stockage stocké dans le module de stockage 1003 est déstocké vers l'échangeur thermique de décharge 1002 qui permet le transfert de l'énergie thermique du fluide de stockage stocké vers la source chaude 6, celle-ci alimentant ensuite l'évaporateur 202 du cycle moteur 200. Le fluide de stockage retourne vers le module de stockage 1003 à une température inférieure à celle à laquelle il en est sorti.
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Ainsi, l'échangeur de décharge 1002, via un transfert de chaleur sensible uniquement, augmente la température de la source chaude 6 du cycle moteur 200. La source chaude 6, dite réchauffée, entre donc dans l'évaporateur 202 du cycle moteur à une température plus élevée que lors du fonctionnement stationnaire, également dénommé nominal de la batterie de Carnot. La température de la source chaude 6 entrant dans l'évaporateur 202 résulte de l'apport de chaud depuis le module de stockage 1003 au flux thermique nominal de la source chaude 6. Ainsi, le profil de la source chaude 6 à l'évaporateur 202 étant plus haut, cela permet d'atteindre une pression d'évaporation du fluide moteur plus haute que lors du fonctionnement nominal de la batterie de Carnot. Cette augmentation de la pression haute résultant de la décharge du module de stockage 1003 est intéressante, car meilleur est le taux de pression entre l'amont et l'aval de la turbine 201, meilleures en sont ses performances. Ainsi, le rehaussement de la pression haute du fait de la décharge du module de stockage 1003 permet une augmentation notoire de la production électrique du cycle moteur 200, ce qui est donc recherché dans le cadre du fonctionnement d'une batterie de Carnot selon l'invention.
Exemple
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Une batterie de Carnot selon l'invention a été simulée sous le logiciel EES (Engineering Equations Solver).
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Concernant la centrale de production thermique, sa nature, son débit ainsi que sa température peuvent être quelconques, cependant des hypothèses de température et de puissance typiques ont été adoptées. Ainsi, la source chaude 6 de la centrale a été modélisée par une source de chaleur à 130°C constante dans le temps et délivrant une puissance maximale de 80kW constante dans le temps également. Le profil de cette source chaude 6 est laissé comme degré de liberté. La source froide 5 elle est considérée à température constante de 13°C, mais de puissance et débit infini. Le profil de cette source froide 5 est également un degré de liberté. L'hypothèse de puissance et débit infini modélise une centrale thermique dont la source froide 5 serait assurée par un cours d'eau ou un réservoir à température limitée et constante dans le temps, mais avec un débit disponible d'un ordre de grandeur très supérieur aux besoins de la centrale.
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Les rendements des composants ont été considérés comme constants et sont issus de la littérature. Les valeurs adoptées pour le rendement sont données ci-après :
- Turbine 201 isentropique : 0,75
- Génératrice 206 : 0,95
- Pompes 4, 205, 11 : 0,5
- Compresseur 101 isentropique : 0,9
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Les pertes lors du stockage ont été négligées et un pincement constant a été adopté pour les différents échangeurs de la BCG.
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Les données sur les performances de la batterie de Carnot selon l'invention sont renseignées ci-après :
- Degré de greffe : 10%
- Ratio de charge/décharge : 100%
- Rendement du cycle moteur lors de la phase stationnaire : 13,2%
- Rendement du cycle moteur lors de la phase de charge : 12,8%
- Rendement du cycle moteur lors de la phase de décharge : 13,6%
- Rapport de restitution de la BCG : 80,1%
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Le degré de greffe est un indicateur permettant d'obtenir des renseignements sur la taille de la batterie. La taille de la batterie est ici considérée relativement aux services qu'elle est capable de rendre au réseau en termes de modulation de puissance de la production de la centrale thermique. Ici, la batterie de Carnot simulée a un degré de greffe d'environ 10%, c'est-à-dire qu'elle sera capable d'effectuer une modulation de puissance du cycle moteur, lors de la décharge, de 10% par rapport à la production nominale. La batterie Carnot simulée ici est donc de taille suffisante pour rendre des services au réseau.
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Le ratio de charge vis-à-vis de la décharge est réglé sur 100% c'est-à-dire que la phase de charge est de même durée que la phase de décharge.
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Le rapport de restitution de la batterie de Carnot est ici de 80,1%, ce qui signifie que 80,1% de l'électricité qui a été effacée et consommée lors de la charge (c'est-à-dire stockée dans la batterie Carnot) a été restituée lors de la décharge de la batterie Carnot.
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L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s'étend à tous les modes de réalisation couverts par l'invention.
LISTE DES REFERENCES
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- 5. Source froide
- 6. Source chaude
- 11. Pompe source chaude
- 1001. Circuit intermédiaire
- 1002. Échangeur de décharge
- 1003. Module de stockage
- 1004. Pompe de décharge
- 1100. Pompe à chaleur
- 1101. Compresseur
- 1102. Condenseur
- 1103. Vanne de détente
- 1104. Évaporateur
- 200. Cycle moteur
- 201. Turbine
- 202. Évaporateur
- 203. Récupérateur
- 204. Condenseur
- 205. Pompe
- 206. Génératrice
- E. ligne retour de la source froide du cycle moteur hors du condenseur
- F. Connexion fluidique entre la source chaude et l'évaporateur du cycle moteur
- G. connexion fluidique entre l'évaporateur du cycle moteur et la source chaude
- H. Connexion fluidique entre l'évaporateur du cycle moteur et la turbine
- I. connexion fluidique entre la turbine et le récupérateur du cycle moteur
- J. connexion fluidique entre le récupérateur du cycle moteur et le condenseur du cycle moteur
- K. connexion fluidique entre le condenseur du cycle moteur et le récupérateur du cycle moteur
- L. connexion fluidique entre le récupérateur du cycle moteur et l'évaporateur du cycle moteur
- M. Ligne aller de la source froide du cycle moteur vers le condenseur du cycle moteur
- N. Connexion fluidique entre la source chaude et l'évaporateur de la pompe à chaleur
- O. Connexion fluidique entre l'évaporateur de la pompe à chaleur et la source chaude
- P. Connexion fluidique entre la sortie du module de stockage de chaud et l'entrée de l'échangeur de décharge du circuit intermédiaire
- Q. Connexion fluidique entre la sortie de l'échangeur de décharge du circuit intermédiaire et l'entrée du module de stockage de chaud